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发酵设备.doc

上传人:kpmy5893 文档编号:7707227 上传时间:2019-05-24 格式:DOC 页数:10 大小:204KB
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资源描述

1、1发酵设备发酵:广义通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。狭义厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。其悬浮速度的气流中时,则物体将被气流带动。在垂直管道中,气流动力同物料重力处在同一直线上。要使物料能与气流同向运动,则气流的速度必须大于物料的悬浮速度。所以,悬浮速度是实现气力输送时确定气流速度的依据。 在水平管道内,由于气流的动力方向同物料颗粒的重力方向垂直,因而共悬浮和运动状态更为复杂。在选择气流速度时,通常仍以垂直管道内的悬浮速度为依据。在实际的气力输送管道中,由于物料相互之间和同管壁之间的摩擦、碰撞以及管道内气流的不均匀等多种原因,

2、实际所需的气流速度远比物料的悬浮速度为大。一般要通过实验来确定。气力输送装置的基本形式:根据设备组合情况的不同,气力输送装置一般可分为吸气式、压气式、混合式三种基本形式。培养基灭菌的目的:杀死培养基中的微生物,防止杂菌生长而破坏其固有成分和性质,为后续发酵过程创造无菌的条件。要求:(1)达到无菌程度 Ns10 -3 个罐,即杂菌污染降低到技术处理的每 1000 罐中只残留 1 个活菌的程度。 (2)尽量减少培养基营养成分的破坏。方法:化学药剂灭菌,射线灭菌,干热灭菌,湿热灭菌,过滤灭菌。高温短时的理论依据:微生物受热被杀死属单分子反应,所以灭菌温度与菌死亡的反应速度常数关系可用阿累尼乌斯方程式

3、表示: 在活化能大的反应中,反应速度常AeRTEk数及反应速度随温度的变化也大。反之如果某反应的活化能非常小,该反应的速度随温度的变化也很小。当提高温度时,杂菌的死亡速度的增加要比营养成分破环速度的增加大得多,即杂菌死亡速度比营养成分破坏速度快得多。因此使用高温短时的方法以减少营养成分的破坏。培养基间歇灭菌过程中应注意的问题:(1)温度和压力的关系。 (2)泡沫问题。 (3)投料过程中麸皮和豆饼粉等固形物在罐壁上残留的问题。 (4)灭菌结束后应立即引入无菌空气保压。连续灭菌的流程:培养基经配料后,经配料罐放出,用连消泵送入加热器或连消塔底部,料液被加热至灭菌的温度后,由顶部流出,进入维持罐,维

4、持 10min 左右,由维持罐上部侧面流出,维持罐内最后的培养液由底部排出,经喷淋冷却器冷却到发酵温度,送去发酵罐。连续灭菌与间歇灭菌的比较:连续灭菌就是将配制好的培养基在向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却,进行灭菌,过程包括预热、加热、保温、冷却。其优点:保留较多的营养质量、容易放大、较易自动控制、糖受蒸汽的影响较少、缩短灭菌周期、在某些情况下可使发酵罐的腐蚀减少、发酵罐利用率高、蒸汽负荷均匀。缺点:设备比较复杂,投资较大。分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中,通入蒸汽将培养基和所有设备一起进行灭菌的操作过程,也称实罐灭菌,过程包括升温、保温、冷却。其优点:设备投资较少、染菌的

5、危险性较小、人工操作较方便、对培养基中固体物质含量较多时更为适宜。缺点:灭菌过程中蒸汽用量变化大,造成锅炉负荷波动大,一般只限于中小型发酵罐。影响灭菌的因素:(1)培养基成分对灭菌的影响。油脂、糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生物的耐热性,另外一些物质,如高浓度的盐类,色素等可削弱其耐热性。 (2)培养基2的物理状态对灭菌的影响。 (3)培养基中微生物的数量对灭菌的影响。 (4)培养基中氢离子浓度对灭菌的影响。培养基的酸碱度越大,所需杀灭微生物的温度越低。 (5)微生物细胞中水分对灭菌的影响。细胞含水越多,蛋白质变性的温度越低。 (6)微生物细胞菌龄对灭菌的影响。老细胞水分含量低、低龄细胞含水量

6、高。 (7)空气排除情况。 (8)搅拌。(9)泡沫对灭菌的影响。空气中微生物的分布:微生物在固体或液体培养物中繁殖后,很多细小而轻的菌体、芽胞或胞子,会随水分的蒸发、物料的移动被气流带入空气中或粘附在灰尘上而飘浮于气流中,故空气中含菌量随环境的不同而有很大的差异。一般干燥寒冷的北方空气含菌量较少,而潮湿温暖的南方含菌量较多,人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多,地平面又比高空的空气含菌量多。各地空气所悬浮的微生物的种类以及比例各不相同,数量也随条件的变化而异,一般设计时以含量为 10310 4 个m 3 进行计算。发酵对空气无菌程度的要求:发酵工业中应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含

7、菌量降低到零或极低从而使污染的可能性降低至极小,一般按染菌机率为 10-3 来计算,即 1000 次发酵周期所用的无菌空气只允许 12 次染菌。空气除菌的方法:辐射杀菌、热杀菌、静电除菌、过滤除菌法。介质过滤除菌的机理:惯性冲击滞留作用、拦截滞留作用、布朗扩散作用、重力沉降作用、静电吸附作用。空气除菌设备流程:(一)空气压缩冷却过滤流程:粗过滤器、空压机、贮罐、冷却器、过滤器(二)两级冷却、分离、加热的空气除菌流程:粗过滤器、空压机、贮罐、冷却器、旋风分离器、冷却器、丝网分离器、加热器、过滤器(三)高效过滤器、空压机、贮罐、冷却器、丝网分离器、加热器、过滤器。设备作用:1、粗过滤器:捕集较大的

8、灰尘颗粒,防止压缩机受磨损,同时也可减轻总过滤器负荷;2、空气贮罐:消除压缩机排出空气量的脉动,维持稳定的空气压力,同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾;3、气液分离器:分离空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子;4、空气压缩机:使空气在生产工程中克服各种阻力;5、空气过滤器:过滤除菌。酒精发酵罐的结构:1、基本结构:酒精发酵罐筒体为圆柱形,底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶装有废汽回收管,进料管,按种管,压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐,为了便于维修和清洗,往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口 2、

9、发酵罐的冷却装置:中小型发酵罐:多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却;大型发酵罐:由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求,所以,罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。3、发酵罐的洗涤装置:大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置。酒精发酵罐的计算:某酒精工厂,每发酵罐的进料量为 24 吨小时,每 4 小时盛满一罐,发酵周期为 72 小时,冷却水的初、终温分别为 20C 和 25 C,若罐内采用蛇管冷却,试确定:发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量,冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。(糖化醪密度为 1076 公斤米 3)。l,发酵罐的个数和结构尺寸的确定32,冷却面积和冷却装置主要结构尺寸

10、的确定4(2)冷却水耗量的计算56圆筒体锥底罐(C.C.T)的结构及特点:C.C.T 发酵最大特点在于大型化,容积从100600m3(国内也有 60m3 小型的) 。 设备的外型特点:外筒体蝶形或拱形盖,锥形体底,罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套;筒体直径(D)和筒体高度(H) 是主要特性参数。增加 H 有利于加速发酵,降低 H 有利于啤酒的自然澄清;发酵罐锥底角,考虑到发酵中酵母自然沉降最有利,取排出角为 7375,对于贮酒罐,常取锥角为 120150 。 罐主要附件:在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器;在圆筒形下部装可清洗取样阀;罐顶部应有安全阀、真空破坏阀;在液面上 1

11、50mm 装有 CIP 装置;还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置;锥底有直径 500mm 的快开人孔。7通风发酵罐的类型:机械搅拌发酵罐;气升式发酵罐;自吸式发酵罐;伍式发酵罐;文氏管发酵罐。机械搅拌发酵罐的结构:其主要部件包括:罐体、轴封、消泡器、搅拌器、联轴器、中间轴承、挡板、空气分布管、换热装置、人孔以及管路等。 (1)罐体:罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成,小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接,材料一般为不锈钢。为了便于清洗,小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装没有快开入孔及清洗用的快开手孔。罐顶还装有视镜及灯镜。在罐顶上的接管有:进料管、补料管、排气管、接种管

12、和压力表接管。在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。 (2)搅拌器:搅拌器的作用是打碎气泡,使空气与溶液均匀接触,使氧溶解于发酵液中。搅拌器有轴向式(桨叶式、螺旋桨式)和径向式(涡轮式)两种。 (3)挡板:挡板的作用是改变液流的方向,由径向流改为轴向流,促使液体剧烈翻动,增加溶解氧。(4)消泡器:消泡器的作用是将泡沫打破。消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式(5)轴承:为了减少震动,中型发酵罐般在罐内装有底轴承,而大型发酵罐装有中间轴承,底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。 (6)变速装置:试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动,圆

13、柱或螺旋圆锥齿轮减速装置,其中以三角皮带变速传动较为简便。(7)轴封:轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封,防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。气升式发酵罐的特点:结构简单,冷却面积小;无搅拌传动设备,节省动力约 50%,节省钢材;操作时无噪音;料液装料系数达 8090,而不须加消泡剂;维修、操作及清洗简便,减少杂菌感染。气升式发酵罐的主要结构包括:罐体、上升管、空气喷嘴。氧的传递步骤:1、气相主体到气液界面的气膜传递 2、穿过气液界面 3、从气液界面通过液膜 4、液相主体的传递 5、穿过细胞或细胞团表面 6、穿过固液界面 7、细胞团内的传递8、通过细胞壁 9、进入

14、细胞内反应。影响氧传递速率的因素:供氧:K La (c*-cL)(*CLLakdtOTR耗氧: = Qo 2X1、影响体积氧传递系数 Kla 的因素:根据经验公式:K La = k(P/V) (vs) ( app) (1)搅拌:作用:形成小气泡,增大比表面积;液体涡流运动,增加气液接触时间;料液湍流运动,促进传质;使菌体分散,避免结团(2)空气线速度:空气线速度较小时, KLa 随线速度的增加而增加;空气线速度增加至一定程度后,如不改变搅拌速度,则会降低搅拌功率,使 KLa 降低,甚至发生“过载”现象。 (3)空气分布管:改变气泡的大小,从而改变气泡的比表面积(4)发酵罐内液柱高度:根据经验数

15、据:H/D 从 1 增加到 2, KLa 增加40%;H/D 从 2 增加到 3, KLa 增加 20%(5)发酵液性质:粘度影响液体湍动性及液膜的阻力(6)泡沫和消泡剂泡沫:泡沫的存在使气泡滞留时间延长且导致气泡中的充分交换;由于泡沫存在于搅拌桨区域而使不能充分地混合发酵液。消泡剂:降低氧的传递速率。2、 影响的传质推动力(c *-cL)因素:温度;溶液的性质;氧分压;发酵罐内液柱的高度。过滤速度的强化:1、发酵液的预处理:方法:加热、凝聚与絮凝、加入盐类、调节 pH、加入助滤剂 2、过滤介质的选择 3、过滤操作条件优化。板框过滤机及真空转鼓过滤机的工作原理:板框式压滤机主要由许多滤板和滤框

16、间隔排列而组成。板和框为正方形,角端均有小孔,装合压紧后即构成孔道。框的内侧覆以滤布,空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。过滤时,悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内,滤液穿过滤框两侧滤布,沿相邻滤板沟槽流至滤液出口。固体则被截留于框内形成滤饼,滤饼充满滤框后停止过滤; 分8配阀的动盘固定在转鼓轴颈上,与转鼓同步旋转。动盘端面有一圈孔。每个孔与转鼓上对应的一个滤室相连。阀座不转动,其内侧端面上开有几条弧形槽,分别与外侧的接管连通。阀座与动盘贴合,各弧形槽顺序与动盘上的孔相通,旋转的滤室即可与固定的真空或压缩空气系统顺序联接,使过滤操作循环进行。离心分

17、离机的工作原理:当悬浮液在动压头的作用下,经中心管流入高速转动的碟片之间的间隙时,便产生了惯性离心力,其中密度较大的固体颗粒在离心力的作用下,向上层碟片的下表面运动,而后沿碟片下表面向转子周围下滑,液体则沿转子中心上升,从套管中排出,达到分离的目的。同理,对于乳浊液的分离,轻液沿中心向上流动,重液沿周围向下流动而得到分离。离心分离因数:指离心力与重力的比值,或离心加速度与重力加速度的比值。离心分离因数是反映离心机分离能力的重要指标,他表示,在离心场中,微粒可以获得比在重力场中大 f 倍的作用力,这就是较难分离物系采用离心分离的原因。即 f 越大,离心力愈大,分离能力愈强。工业上根据离心分离因数

18、将离心机分为三类:普通离心机 f50000,适用于分散度较高的乳浊液的分离。麦芽汁煮沸锅的结构特点:A. 锅体 近似球形、体积大、足够机械强度、清洗方便、搅拌功率消耗比较小。B. 加热夹套结构 对于小型的煮沸锅,通常是在整个锅底装置加热夹套。但对于大型的煮沸锅,由于锅的直径大,若采用整体加热夹套,受力较差,同时容量大,物料自然对流循环差,传热系数低,且加热面积也不能满足工艺加热速度的要求,因而大多做成向内凸出,以增大加热面积,促进物料循环,改善受热情况。C. 搅拌装置 使物料受热均匀,提高传热系数,防止结垢 D.排汽管。按膜的形成方法薄膜式蒸发浓缩设备可分为下列几类:1. 管式薄膜蒸发器 液膜

19、是在管壁加热时形成的,按其流动的方向可分为:(1)升膜式蒸发器 形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同,由下而上的并流上升。 (2)降膜式蒸发器 形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同,由上而下并流下降。 (3)升降膜式蒸发器 将同一蒸发器的加热管分成两程,溶液先以升膜式进行蒸发,再以阵膜式进行蒸发。2. 刮板式薄膜式蒸发器 液膜是靠转动的刮板作用在蒸发器内壁形成。3. 离心薄膜蒸发器 利用旋转的加热面,使进入加热面的溶液在离心力场作用下形成液膜。结晶的原理:晶体的形成与长大是一个比较复杂的过程,受溶质质点在溶液中的碰撞、吸引、扩散、排列等因素的影响。溶质均匀地分散于溶液中,溶质质点受溶剂质点的吸引,在溶

20、液中作不规则的分子运动。当溶液浓度增高,溶质质点密度增大,溶质质点间的吸引力也增大。当到达饱和状态时,溶质质点间的吸引力与溶剂对溶质的吸引力相等。在过饱和溶液中,溶质质点间的引力大于溶剂对溶质的吸引力,即有部分解质质点处于不稳定的高能状态,如果它们互相碰撞,即会放出能量而聚合结晶。起晶的方法:自然起晶、刺激起晶法、晶种起晶法。过饱和溶液的概念:一定温度压力下,当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度,而溶质仍不析出的现象称为过饱和现象,此时的溶液即为过饱和溶液。真空干燥是一种在真空条件下操作的接触式干燥过程,与常压干燥相比,真空干燥温度低,水分可在较低的温度下汽化蒸发,不需要空气作为

21、干燥介质,减少空气与物料的接触机会,故适于热敏性和易氧化物料的干燥。但生产能力低,需要专门的抽真空系统。组成:密闭干燥室、冷凝器和真空泵。类型:真空箱式干燥器,带式真空干燥器,耙式真空干燥器。气流干燥:原理:利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中充分接触,气体与固体物料之间进行传热与传质,从而使湿物料达到于燥的目的。特点:干燥强度大;干燥时间短;适应性广;设备结构简单,占地面积小,生产能力大,能连续操作,可实现自动控制;9对晶形磨损厉害。长管气流干燥流程:空气过滤器,空气加热器,鼓风机,加料器,料斗,干燥管,缓冲管,分离器,振动筛,二次分离器,湿式分离器,排风机。喷雾干燥器:原理:利用不同

22、的喷雾器,将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状,形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交换,迅速排除本身的水分,在几秒至几十抄内获得干燥。特点:干燥速度快、时间短;干燥温度较低,非常适于热敏性物料的干燥;制品具有良好的分散性和溶解性,成品纯度高。类型:压力喷雾法,气流喷雾法,离心喷雾法。流化床干燥(沸腾干燥):原理:利用流态化技术,即利用热的空气使孔板上的粒状物料流化沸腾状态,使水分迅速汽化达到干燥目的。特点:传热传质速率大;干燥温度均匀,易于控制;由于溶积干燥强度较大,所以设备紧凑,占地面积小,结构简单,设备生产能力高,而动力消耗少。类型:单层卧式多室流化床干燥器,沸腾造粒干燥器。冷冻干燥

23、:原理:将湿物料(或溶液)在较低温度下(10 50)冻结成固态,然后在高度真空(130 0.1Pa)下,将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程,也称升华干燥,冷冻干燥也是真空干燥的一种特例。特点:干燥温度低,特别适合于高热敏感性物料的干燥,如抗生素类、生物制品等活性物质的干燥;能保持原物料的外观形状;冻干制品具有多孔结构,因而有理想的速溶性和快速复水性;冷冻干燥脱水彻底,质量轻,产品保存期长,若采用真空密封包装,常温下即可运输、保存,十分方便。组成:冷冻装置、真空装置、水分除去装置、加热装置。名词解释预敷:在支持介质的表面上预先形成一层较薄的硅藻土预涂层,用以保护支持介质的毛细孔不被滤饼

24、层中的固体粒子堵塞临界溶氧浓度不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度,或微生物对发酵液中溶解氧的最低要求全挡板条件:是指在一定转速下,再增加罐内挡板数(或附件)而搅拌轴功率仍不变,或者说是指能达到消除液面漩涡的最低条件。过饱和溶解度曲线:当某溶液溶质的溶解度大于其饱和度,若此时溶液中没有晶体或其他刺激因素存在,溶液还是比较稳定,可保持一段较长的时间不会自然结晶析出,只有在过饱和曲线以上浓度的溶液很快自然起晶析出离心机的分离因数:指离心力与重力的比值或离心加速度和重力加速度的比值搅拌器的轴功率:搅拌器的既定速度旋转时,用以克服介质的阻力所需的功率自由沉降速度:物体因惯性作用而以等速 v 向下沉降,这一

25、速度称对数穿透定律:进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比的对数是滤层厚度的函数清洁生产:指不断采取改进设计,使用清洁的能源和材料,采用先进的工艺技术与设备,改善管理,综合利用等措施,从源头削减污染,提高资源利用效率,减少或避免污染的排放,以减轻或消除对人类健康和环境的危害薄膜蒸发:液体在蒸发器的加热表面以很薄的液层流过,溶液很快受热升温、汽化、浓缩,浓缩液迅速离开表面三塔式蒸馏:由粗溜塔、排醛塔、精馏塔 3 个塔组成,根据排醛塔、精馏塔的进料情况,可分为直接式、半直接式、间接式三类液相进塔:指粗溜塔发生的酒汽先冷凝成液体,然后进入精馏塔,这种方式由于多一次排醛机会对分离杂质能起一定作

26、用气相进塔:指粗溜塔发生的酒气直接进入精馏塔,这种方式热效应好,可以节约蒸汽消耗,10生产费用较低,为淀粉质原料厂所采用爬膜现象:浸润管壁的液膜在高速蒸汽气流的拖带下上升的现象非牛顿流体:不服从牛顿粘性定律的流体,其粘度 u 不是常熟,它不仅是温度的函数,而且随流动状态而定,没有固定的粘度值比生长速率:每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。它是表征微生物生长速率的一个参数,也是发酵动力学中的一个重要参数。其大小为 0.693 除以倍增时间 td(菌体量倍增) 。生物转化:是指外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化。生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节,是机体维持稳态的主要机制。下游工程:由微生物发酵而获得的生物原料,经提取分离、加工并精制目的成分,最终使其成为产品的技术。

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